Blesk je elektrický jiskrový výboj v atmosféře , ke kterému dochází během bouřky a projevuje se jasným zábleskem světla a hromem , který jej doprovází . Blesky byly zaznamenány i na Venuši , Jupiteru , Saturnu , Uranu atd. [1] Síla proudu ve výboji blesku na Zemi je v průměru 30 kA , někdy dosahuje 200 kA [2] , napětí je od desítek milionů do miliarda voltů [1] .
Nejdelší blesk byl zaznamenán 29. dubna 2020 na hranici států Mississippi a Texas . Rozprostírá se od Houstonu na jihovýchod Mississippi, což se rovná vzdálenosti mezi Columbusem (Ohio) a New Yorkem . Jeho délka byla 768 km (předchozí rekord 709 km byl zaznamenán v jižní Brazílii 31. října 2018 [3] [4] ). Nejdelší blesk byl zaznamenán 18. června 2020 v Argentině , jeho trvání bylo 17,1 sekund [4] [5] (předchozí rekord byl zaznamenán 4. března 2019 také v severní Argentině a činil 16,73 sekund [4] [3] ) . V roce 2014 byl registrován rekordně vysoký potenciálový rozdíl během bouřky 1,3 GV [6] .
Blesk byl objektem lidského zájmu již od pradávna. Její nebezpečné projevy jsou známy již od starověku. V pohanství byl blesk považován za činnost nejmocnějších bohů: Zeus ve starověké řecké mytologii, Thor ve skandinávském, Perun ve slovanském. Porážka bleskem byla považována za boží trest. V souladu s tím byly prováděny určité rituály a rituály na ochranu před bleskem. Ze starověké a slovanské mytologie se myšlenka blesku jako nástroje božské činnosti také přesunula do křesťanství. Navzdory vnímání blesku jako projevu vyšších sil se však již ve starověku odhalovaly určité zákonitosti při porážce předmětů bleskem. Thales také popsal, že blesk nejčastěji udeří do vysokých, volně stojících předmětů. Ve středověku blesky často způsobovaly požáry v dřevěných městech, z čehož vzešlo pravidlo, že nelze stavět domy vyšší než chrám. Chrámy, umístěné zpravidla na vyvýšených místech, sloužily v těchto případech jako hromosvody . Bylo také zjištěno, že pokovené (v těch letech - většinou zlacené) kopule jsou méně pravděpodobné, že budou zasaženy bleskem.
Velký impuls ve studiu blesků dal rozvoj navigace. Za prvé, navigátoři čelili na souši bouřkám nebývalé síly; za druhé zjistili, že bouřky jsou v zeměpisných šířkách rozmístěny nerovnoměrně; za třetí, všimli si: při blízkém úderu blesku střelka kompasu zažívá silné poruchy; za čtvrté, zjevně spojili výskyt požárů svatého Elma s blížící se bouřkou. Navíc to byli navigátoři, kteří si jako první všimli, že před bouřkou docházelo k jevům podobným těm, ke kterým dochází, když je sklo nebo vlna elektrizována třením.
Rozvoj fyziky v 17.-18. století umožnil předložit hypotézu o spojení blesku a elektřiny. K takovému názoru se držel zejména M. V. Lomonosov . Elektrická podstata blesku byla odhalena ve výzkumu amerického fyzika B. Franklina , na jehož základě byl proveden experiment na extrakci elektřiny z bouřkového mraku. Franklinova zkušenost s objasňováním elektrické podstaty blesku je všeobecně známá. V roce 1750 publikoval práci popisující experiment s použitím draka vypuštěného do bouřky. Franklinova zkušenost byla popsána v práci Josepha Priestleyho .
Na začátku 19. století již většina vědců nepochybovala o elektrické povaze blesku (ačkoli existovaly alternativní hypotézy, například chemické), a hlavními výzkumnými otázkami byly mechanismus výroby elektřiny v bouřkových mracích a parametry blesku. vybít.
V roce 1989 byly v horních vrstvách atmosféry objeveny zvláštní typy blesků : elfové [7] a skřítci . V roce 1995 byl objeven další typ blesku v horních vrstvách atmosféry - výtrysky [7] .
Na konci 20. století byly při studiu blesků objeveny nové fyzikální jevy - rozpad na uniklých elektronech [8] a fotonukleární reakce za působení gama záření z výboje blesku [9] [10].
Ke studiu fyziky blesku se používají pozorovací metody z družic. [jedenáct]
Nejčastěji se blesky vyskytují v oblacích cumulonimbus , pak se nazývají bouřkové mraky; někdy se blesk tvoří v nimbových mracích, stejně jako při sopečných erupcích , tornádách a prachových bouřích.
Obvykle jsou pozorovány lineární blesky, které patří mezi tzv. bezelektrodové výboje , protože začínají (a končí) ve shlucích nabitých částic. To určuje některé z jejich dosud nevysvětlených vlastností, které odlišují blesk od výbojů mezi elektrodami. Blesk tedy není kratší než několik set metrů; vznikají v elektrických polích mnohem slabších než pole při mezielektrodových výbojích; Shromažďování nábojů přenášených bleskem probíhá v tisícinách sekundy z miliard malých, dobře izolovaných částic umístěných v objemu několika km³. Proces vývoje blesku v bouřkových mracích je nejvíce prozkoumaný , zatímco blesky mohou procházet v samotných mracích - vnitromrakové blesky a mohou udeřit do země - blesk z mraku na zem . Pro vznik blesku je nutné, aby se v relativně malém (ale ne menším než nějakém kritickém) objemu oblaku vytvořilo elektrické pole (viz atmosférická elektřina ) o síle dostatečné ke spuštění elektrického výboje (~ 1 MV/m ), a ve významné části oblaku by bylo pole s průměrnou silou dostatečnou k udržení započatého výboje (~ 0,1-0,2 MV/m). Při blesku se elektrická energie oblaku přeměňuje na teplo, světlo a zvuk.
Proces vývoje takového blesku se skládá z několika fází. V první fázi, v zóně, kde elektrické pole dosáhne kritické hodnoty, začíná rázová ionizace , tvořená nejprve volnými náboji, vždy v malém množství přítomnými ve vzduchu, které vlivem elektrického pole získávají značné rychlosti směrem k zemi a při srážce s molekulami, které tvoří vzduch, je ionizují. [12]
Podle modernějších představ k ionizaci atmosféry pro průchod výboje dochází vlivem vysokoenergetického kosmického záření - částic s energiemi 10 12 -10 15 eV , které tvoří širokou vzduchovou sprchu s poklesem průrazu napětí vzduchu řádově od napětí za normálních podmínek [13] . Blesk je spouštěn vysokoenergetickými částicemi, které způsobí rozpad na uniklých elektronech ("spouštěčem" procesu je v tomto případě kosmické záření) [14] . Vznikají tak elektronové laviny , které se mění v vlákna elektrických výbojů - streamery , což jsou dobře vodivé kanály, které po sloučení dávají vzniknout jasnému tepelně ionizovanému kanálu s vysokou vodivostí - stupňovitým bleskojedcem .
Pohyb vůdce k zemskému povrchu probíhá v krocích několika desítek metrů rychlostí ~ 50 000 kilometrů za sekundu, poté se jeho pohyb na několik desítek mikrosekund zastaví a záře je značně oslabena; pak v další fázi vedoucí opět postoupí o několik desítek metrů. Jasná záře přitom zakrývá všechny prošlé kroky; pak opět následuje zastavení a slábnutí záře. Tyto procesy se opakují, když se vůdce pohybuje na zemský povrch průměrnou rychlostí 200 000 metrů za sekundu. Jak se vůdce pohybuje směrem k zemi, síla pole na jeho konci se zvyšuje a pod jeho působením je z objektů vyčnívajících na povrchu Země vymrštěn odezvový streamer , který se spojuje s vůdcem. Tato vlastnost blesku se využívá k vytvoření hromosvodu .
V konečné fázi následuje po kanálu ionizovaném vodičem zpětný (odspodu nahoru), neboli hlavní výboj blesku , charakterizovaný proudy od desítek do stovek tisíc ampér, jas výrazně převyšující jas vodiče . a vysokou rychlost postupu, nejprve dosahující ~ 100 000 kilometrů za sekundu a na konci klesající na ~ 10 000 kilometrů za sekundu. Teplota kanálu během hlavního výboje může přesáhnout 20 000–30 000 °C. Délka kanálu blesku může být od 1 do 10 km, průměr je několik centimetrů. Po průchodu proudového impulsu ionizace kanálu a jeho záře slábnou. V konečné fázi může bleskový proud trvat setiny a dokonce desetiny sekundy a dosahovat stovek a tisíců ampér. Takovým bleskům se říká vleklé, nejčastěji způsobují požáry. Země ale není nabitá, takže se obecně uznává, že výboj blesku přichází z mraku směrem k zemi (shora dolů).
Hlavní výboj často vypouští jen část oblaku. Náboje umístěné ve vysokých nadmořských výškách mohou dát vzniknout novému (šipkovitému) vedoucímu, který se nepřetržitě pohybuje rychlostí tisíců kilometrů za sekundu. Jas jeho záře se blíží jasu stupňovitého vůdce. Když smetený vůdce dosáhne povrchu země, následuje druhý hlavní úder, podobný prvnímu. Blesk obvykle zahrnuje několik opakovaných výbojů, ale jejich počet může dosáhnout až několika desítek. Trvání vícenásobných blesků může přesáhnout 1 sekundu. Posunutím kanálu více blesků větrem vzniká tzv. páskový blesk - svítící pás.
Intracloud blesky obvykle zahrnují pouze vedoucí fáze; jejich délka se pohybuje od 1 do 150 km. Podíl vnitromrakových blesků roste s posunem k rovníku , mění se z 0,5 v mírných zeměpisných šířkách na 0,9 v rovníkovém pásu . Průchod blesku je provázen změnami elektrických a magnetických polí a rádiovým vyzařováním , tzv. atmosférou .
Pravděpodobnost zasažení pozemního objektu bleskem se zvyšuje s jeho výškou a se zvyšováním elektrické vodivosti půdy na povrchu nebo v určité hloubce (na těchto faktorech je založeno působení hromosvodu). Pokud je v oblaku elektrické pole, které je dostatečné k udržení výboje, ale ne dostatečné k tomu, aby k němu došlo, může roli iniciátora blesku sehrát dlouhý kovový kabel nebo letadlo – zvláště pokud je vysoce elektricky nabité. V nimbostratu a mohutných kupovitých oblacích je tedy někdy „provokován“ blesk .
Vzplanutí v horních vrstvách atmosféry: stratosféra , mezosféra a termosféra , směřující nahoru, dolů a vodorovně, jsou velmi špatně studovány. Dělí se na skřítky, jety a elfy . Barva záblesků a jejich tvar závisí na výšce, ve které se vyskytují. Na rozdíl od blesků pozorovaných na Zemi mají tyto záblesky jasnou barvu, obvykle červenou nebo modrou, a pokrývají velké oblasti v horních vrstvách atmosféry a někdy zasahují až k okraji vesmíru [15] .
"Elfové"Elfové ( Elves ; zkratka pro E missions of Light and Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources ) jsou obrovské , ale slabě svítící kužely blesku o průměru asi 400 km, které se objevují přímo z vrcholu bouřkového mraku [ 7 ] . Výška elfů může dosáhnout 100 km, doba trvání záblesků je až 5 ms (v průměru 3 ms) [7] [16] .
TryskyTrysky jsou modré trubicové kužely. Výška výtrysků může dosahovat 40-70 km (spodní hranice ionosféry ), trvání výtrysků je delší než u elfů [17] [18] .
SkřítciSkřítci je obtížné rozlišit, ale objevují se téměř v každé bouřce v nadmořské výšce 55 až 130 kilometrů (výška formování „obyčejných“ blesků není větší než 16 kilometrů). Toto je druh blesku, který vystřelí z mraku . Poprvé byl tento jev zaznamenán v roce 1989 náhodou. O fyzické povaze skřítků je známo velmi málo [19] .
Zelení duchové (zkratka pro zelené emise z excitovaného kyslíku v sprite t op ( „zelená záře z excitovaného kyslíku na vrcholcích skřítků“, duch v angličtině ghost ) se objeví po záblesku červených skřítků na několik sekund jako zelená Dosvit. Otevřeno 25. května 2019, ačkoli je pozorováno od roku 2014. Tento jev se stále studuje, hypotetická hypotéza výskytu je, že když vrcholky mocných skřítků narazí na vrstvu, kde dochází k atmosférické záři, ve výšce 90 km nad povrchem atomy kyslíku mohou na krátkou dobu svítit zeleně [20]
Nejčastěji se blesk vyskytuje v tropech .
Místem, kde se blesky vyskytují nejčastěji, je vesnice Kifuka v horách na východě Demokratické republiky Kongo [21] . V průměru tam uhodí 158 blesků na kilometr čtvereční za rok [22] . Blesky jsou také velmi časté na Catatumbo ve Venezuele , v Singapuru [23] , městě Terezina v severní Brazílii [24] a v „bleskové uličce“ ve střední Floridě [25] [26] .
Podle prvních odhadů je frekvence úderů blesku na Zemi 100krát za sekundu. Podle moderních dat z družic, které dokážou detekovat blesky v místech, kde není pozemní pozorování, je tato frekvence v průměru 44 ± 5 krát za sekundu, což odpovídá asi 1,4 miliardě blesků za rok [27] [28] . 75 % těchto blesků udeří mezi mraky nebo uvnitř mraků a 25 % udeří do země [29] .
Nejsilnější blesky způsobují zrození fulguritů [30] .
Blesky, pády do stromů a transformátorových instalací na železnici často způsobí jejich vznícení. Běžný blesk je nebezpečný pro televizní a rozhlasové antény umístěné na střechách výškových budov a také pro síťová zařízení.
Výboj blesku je elektrický výbuch a v některých aspektech je podobný detonaci výbušniny. Způsobuje vznik rázové vlny , nebezpečné v bezprostřední blízkosti [31] . Rázová vlna z dostatečně silného výboje blesku na vzdálenost až několika metrů může způsobit destrukci, lámání stromů, zranění a otřesy lidí i bez přímého zásahu elektrickým proudem. Například při rychlosti nárůstu proudu 30 tisíc ampér za 0,1 milisekundy a průměru kanálu 10 cm lze pozorovat následující tlaky rázových vln [32] :
Na větší vzdálenosti se rázová vlna zvrhne ve zvukovou vlnu – hrom .
Blesk je vážnou hrozbou pro životy lidí i zvířat. Porážka osoby nebo zvířete bleskem se často vyskytuje v otevřených prostorech, protože elektrický proud protéká kanálem s nejmenším elektrickým odporem.
Je nemožné, aby vás udeřil obyčejný lineární blesk uvnitř budovy . Existuje však názor, že takzvaný kulový blesk může proniknout dovnitř budovy škvírami a otevřenými okny.
V těle obětí jsou zaznamenány stejné patologické změny jako v případě úrazu elektrickým proudem. Postižený ztratí vědomí , upadne, mohou se objevit křeče , často se zastaví dýchání a tep . Na těle lze obvykle nalézt „ značky proudu “, vstupní a výstupní body elektřiny. V případě fatálního konce je příčinou zástavy základních životních funkcí náhlá zástava dechu a tepu z přímého působení blesku na dýchací a vazomotorická centra prodloužené míchy. Na kůži často zůstávají tzv. bleskové stopy , stromovité světle růžové nebo červené pruhy, které po stisknutí prsty zmizí (přetrvávají 1-2 dny po smrti). Jsou výsledkem expanze kapilár v zóně kontaktu mezi bleskem a tělem.
Oběť úderu blesku potřebuje hospitalizaci, hrozí mu totiž poruchy elektrické aktivity srdce. Před příjezdem kvalifikovaného lékaře mu může být poskytnuta první pomoc . Při zástavě dechu je indikována resuscitace , v lehčích případech pomoc závisí na stavu a příznacích.
Podle některých údajů je každý rok na světě zabito 24 000 lidí úderem blesku a asi 240 000 je zraněno [33] . Podle jiných odhadů zemře na celém světě na následky blesku ročně 6000 lidí [34] .
Ve Spojených státech zemře 9–10 % těch, kteří jsou zasaženi bleskem, [35] což má za následek 40–50 úmrtí ročně v zemi [36] .
Pravděpodobnost, že občan USA bude v běžném roce zasažen bleskem, se odhaduje na 1 ku 960 000, pravděpodobnost, že ho někdy v životě zasáhne blesk (s předpokládanou délkou života 80 let) je 1 ku 12 000 [37 ] .
Američan Roy Sullivan , zaměstnanec národního parku, je známý tím, že byl během 35 let sedmkrát zasažen bleskem a přežil.
Vysoké stromy jsou častým cílem blesků. Na reliktních dlouhověkých stromech můžete snadno najít mnohočetné jizvy od blesků – blesků . Předpokládá se, že do stromu, který stojí osamoceně, pravděpodobně zasáhne blesk, i když v některých zalesněných oblastech lze spatřit blesky téměř na každém stromě. Suché stromy se při zásahu bleskem vznítí. Nejčastěji směřují blesky do dubu, nejméně často do buku, což zřejmě závisí na různém množství mastných olejů v nich, představujících větší či menší odpor vůči vedení elektřiny [38] .
Blesk se pohybuje v kmeni stromu po dráze nejmenšího elektrického odporu , s uvolněním velkého množství tepla, mění vodu na páru, která štěpí kmen stromu nebo z něj častěji odtrhává části kůry a ukazuje cestu blesku. V následujících sezónách stromy obvykle regenerují poškozenou tkáň a mohou uzavřít celou ránu a zanechat pouze vertikální jizvu. Pokud je poškození příliš vážné, vítr a škůdci strom nakonec zabijí. Stromy jsou přirozené hromosvody a je známo, že poskytují ochranu okolním budovám před bleskem. Vysoké stromy vysazené v blízkosti budovy zachycují blesky a vysoká biomasa kořenového systému pomáhá uzemnit úder blesku.
Z tohoto důvodu je nebezpečné schovávat se před deštěm pod stromy během bouřky, zejména pod vysokými nebo osamělými stromy na otevřených plochách [39] [40] .
Ze stromů zasažených bleskem se vyrábějí hudební nástroje, které jim přisuzují jedinečné vlastnosti [41] [42] .
Úder blesku představuje velké nebezpečí pro elektrická a elektronická zařízení. Při přímém úderu blesku do vodičů dojde ve vedení k přepětí , které způsobí zničení izolace elektrického zařízení a vysoké proudy způsobí tepelné poškození vodičů. V tomto ohledu nemusí dojít k haváriím a požárům na složitých technologických zařízeních okamžitě, ale do osmi hodin po úderu blesku. Pro ochranu před bleskovým přepětím jsou elektrické rozvodny a rozvodné sítě vybaveny různými typy ochranných zařízení jako jsou svodiče , nelineární svodiče přepětí, svodiče dlouhých jisker. K ochraně před přímým úderem blesku se používají hromosvody a zemnící vodiče . Pro elektronická zařízení je nebezpečný i elektromagnetický impuls vytvářený bleskem, který může poškodit zařízení ve vzdálenosti až několika kilometrů od místa úderu blesku. Místní sítě jsou velmi citlivé na elektromagnetické impulsy blesku.
Atmosférická elektřina obecně a blesky zvláště představují významnou hrozbu pro letectví. Úder blesku do letadla způsobí, že jeho konstrukčními prvky proteče velký proud, který může způsobit jejich zničení, požár palivových nádrží, poruchy zařízení a smrt lidí. Pro snížení rizika jsou kovové prvky vnějšího pláště letadla navzájem pečlivě elektricky spojeny a nekovové prvky jsou pokoveny. Tím je zajištěn nízký elektrický odpor pouzdra. Pro odvod bleskového proudu a další atmosférické elektřiny z trupu jsou letadla vybavena svodiči.
Vzhledem k tomu, že elektrická kapacita letadla ve vzduchu je malá, má výboj „oblak-letadlo“ výrazně nižší energii ve srovnání s výbojem „oblak-země“. Blesk je nejnebezpečnější pro nízko letící letadlo nebo vrtulník, protože v tomto případě může letadlo hrát roli hromosvodu z mraku do země. Je známo, že letadla ve velkých výškách jsou poměrně často zasažena bleskem, a přesto jsou případy nehod z tohoto důvodu vzácné. Přitom případů zasažení letadel bleskem při startu a přistání i na parkovišti je hodně, což skončilo katastrofami nebo zničením letadla.
Známé letecké nehody způsobené bleskem:
Blesky jsou hrozbou pro hladinové lodě kvůli skutečnosti, že jsou vyvýšené nad mořskou hladinou a mají mnoho ostrých prvků (stožáry, antény), které jsou koncentrátory síly elektrického pole. V dobách dřevěných plachetnic s vysokým odporem trupu končil úder blesku pro loď téměř vždy tragicky: loď shořela nebo se zhroutila, lidé umírali na zásah elektrickým proudem. Nýtované ocelové lodě byly také citlivé na blesky. Vysoký měrný odpor nýtových spojů způsobil výrazné lokální vyvíjení tepla, které vedlo ke vzniku elektrického oblouku, požárům, zničení nýtů a vzniku úniku vody z pouzdra.
Svařovaný trup moderních lodí má nízký měrný odpor a zajišťuje bezpečné šíření bleskového proudu. Vyčnívající prvky nástavby moderních lodí jsou spolehlivě elektricky spojeny s trupem a zajišťují také bezpečné šíření bleskového proudu a hromosvody zaručují ochranu osob na palubě. Blesky proto nejsou pro moderní hladinové lodě nebezpečné.
Při silných pozemních jaderných explozích v blízkosti epicentra se mohou pod vlivem elektromagnetického pulzu objevit blesky. Pouze na rozdíl od výbojů blesku tyto blesky vycházejí ze země a jdou nahoru [43] .
Většina bouřek se obvykle vyskytuje bez výraznějších následků, je však třeba dodržovat řadu bezpečnostních pravidel:
Spolu s blesky v epicentru bouřkové aktivity je nebezpečím i sestupné proudění vzduchu, které vytváří poryvy bouřlivého větru a intenzivní srážky včetně krupobití, před kterými je také nutná ochrana.
Bouřková fronta přechází dostatečně rychle, takže na relativně krátkou dobu, obvykle ne déle než 3-5 minut v mírném klimatu, jsou zapotřebí speciální bezpečnostní opatření.
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Přírodní katastrofy | |
---|---|
Litosférický | |
atmosférický | |
požáry | |
hydrosférický | |
biosférický | |
magnetosférický | |
Prostor |